“As cianobactérias são, na essência, pioneiras da fotossíntese oxigênica”, afirma Benjamin Springstein, pós-doutorando do grupo de Loose no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA).

“Elas foram responsáveis pelo Grande Evento de Oxigenação há cerca de 2,5 bilhões de anos, quando o oxigênio começou a se acumular na atmosfera e possibilitou a vida aeróbica. Sem elas, é seguro dizer que nenhum de nós estaria aqui hoje.”

Até os dias atuais, as cianobactérias continuam essenciais para a vida na Terra. Elas contribuem significativamente para a biomassa global e desempenham papéis centrais nos ciclos de carbono e nitrogênio. Esses organismos são altamente adaptáveis, vivendo em condições extremas que vão de fontes termais ao Ártico, além de se estabelecerem em superfícies como telhados e paredes em áreas urbanas. Uma espécie em particular, Anabaena sp. PCC 7120 (ou apenas Anabaena), tem sido estudada por mais de três décadas e serve como modelo para compreender as cianobactérias multicelulares.

A Evolução Transforma um Sistema de DNA em Estrutura de Modelagem Celular

Springstein trabalhou com o grupo do Professor Martin Loose, juntamente com colaboradores do ISTA, do Institut Pasteur de Montevideo (Uruguai), da Universidade de Kiel (Alemanha) e da Universidade de Zurique (Suíça). Juntos, descobriram que Anabaena, e possivelmente outras cianobactérias multicelulares, passaram por uma mudança evolutiva significativa. Um sistema ancestral, antes usado para separar o DNA durante a divisão celular, foi reaproveitado como uma estrutura semelhante a um citoesqueleto que ajuda a determinar a forma da célula.

Explicação do DNA em Bactérias

Como todas as bactérias, Anabaena se reproduz por meio da divisão em novas células. Esse processo depende da cópia precisa e distribuição do DNA para que cada nova célula receba a informação genética necessária para sobreviver. O DNA está compactado em cromossomos, semelhante a uma linha enrolada em um carretel, e aparece frequentemente em múltiplas cópias que devem ser passadas adiante de forma confiável durante a divisão.

O DNA bacteriano apresenta duas formas principais. Os cromossomos contêm genes essenciais para a sobrevivência, enquanto os plasmídeos carregam genes adicionais que muitas vezes não são essenciais. Os plasmídeos podem se mover entre bactérias, permitindo que características se espalhem rapidamente e possibilitando uma rápida adaptação.

Um Sistema de Segregação de DNA com um Novo Papel

Springstein estuda Anabaena desde 2014, explorando sua biologia e evolução. Durante a pandemia de COVID-19, quando o trabalho no laboratório foi interrompido, ele dedicou um tempo a rever a literatura científica e fez uma descoberta inesperada.

“Fiz uma observação acidental”, recorda ele.

Ele notou que Anabaena e algumas cianobactérias relacionadas contêm um sistema conhecido como ParMR codificado dentro de seus cromossomos. Tradicionalmente, esse sistema está ligado à segregação de plasmídeos e havia sido encontrado apenas em plasmídeos, que são elementos genéticos móveis. Essa localização incomum o levou a suspeitar que o sistema pudesse ter se adaptado para separar cromossomos.

Após ingressar no ISTA como um pesquisador do programa IST-Bridge, Springstein decidiu testar essa ideia. Seus experimentos revelaram algo muito diferente. Um componente, o ParR, não se liga mais ao DNA. Em vez disso, ele se conecta às membranas lipídicas, especialmente à membrana interna da célula. Enquanto isso, o ParM não forma estruturas no citoplasma para mover o DNA. Em vez disso, cria redes de filamentos logo abaixo da membrana interna, formando uma camada de polímeros proteicos que lembra um córtex celular.

Ao contrário de agir como um típico sistema de segregação de DNA que forma estruturas semelhantes a fusos no interior da célula, esse sistema opera em nível de membrana e parece organizar a estrutura da célula.

Filamentos que Funcionam como um Esqueleto Celular

Para entender melhor o funcionamento desse sistema, os pesquisadores o recriaram fora das células vivas usando componentes purificados. Nessas experiências de reconstituição in vitro, observaram que os filamentos exibem instabilidade dinâmica. Eles crescem e depois colapsam rapidamente, um comportamento semelhante aos microtúbulos em células mais complexas.

Para investigar mais a fundo, a equipe colaborou com o Professor Florian Schur do ISTA e seu doutorando Manjunath Javoor. Utilizando microscopia crioeletrônica, que permite aos cientistas ver estruturas moleculares em grande detalhe, examinaram como esses filamentos são formados. Descobriram que, ao contrário dos filamentos polares formados por sistemas semelhantes em outras bactérias, os filamentos em Anabaena são bipolares, o que significa que podem crescer e encolher a partir de ambas as extremidades.

A Perda do Sistema Altera a Forma Celular

A verdadeira função desse sistema ficou clara quando foi removido de células vivas.

“Células que careciam do sistema perderam sua forma retangular normal e se tornaram redondas e inchadas”, explica Springstein.

Essas mudanças são tipicamente observadas quando genes responsáveis pela manutenção da forma celular são interrompidos em outras bactérias. Isso sugere fortemente que a função principal do sistema é controlar a estrutura celular, em vez de gerenciar a distribuição do DNA.

Dada sua nova função e localização na célula, os pesquisadores renomearam o sistema como “CorMR”.

Como a Evolução Reaproveitou um Sistema Antigo

As cianobactérias multicelulares evoluíram gradualmente a partir de ancestrais unicelulares, ganhando complexidade ao longo do tempo. Uma análise bioinformática realizada pela colaboradora Daniela Megrian do Institut Pasteur em Montevidéu, Uruguai, ajudou a esclarecer como o sistema CorMR surgiu.

A transformação não ocorreu de uma só vez. Em vez disso, provavelmente passou por uma sequência de mudanças. Primeiro, o sistema mudou de um plasmídeo para o cromossomo. Em seguida, seus componentes mudaram de tamanho e estrutura. Depois, ele desenvolveu a capacidade de se ligar às membranas celulares. Finalmente, ficou sob o controle de um sistema proteico adicional.

Essas etapas juntas converteram um antigo mecanismo de segregação de DNA em um sistema que modela a própria célula, oferecendo um exemplo impressionante de como a evolução pode conferir novos propósitos a ferramentas biológicas antigas.